基于GIS的儋州民營膠園精細(xì)化施肥配方制定研究

燕躍奎　郭澎濤　羅微

摘 要 海南民營膠園土壤肥力差異大，而測(cè)土配方施肥在民營橡膠園上應(yīng)用率卻很低。為提高民營橡膠園橡膠樹施肥精細(xì)化程度，節(jié)約資源，本研究以儋州民營膠園為研究對(duì)象，針對(duì)民營橡膠園廣泛種植的RRIM600橡膠樹品種，應(yīng)用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)與空間分析模塊，結(jié)合葉片營養(yǎng)診斷結(jié)果以及葉片養(yǎng)分比例，并參考膠園土壤養(yǎng)分狀況，為儋州市適宜種植橡膠的146個(gè)行政村制定出32個(gè)施肥配方，其N ∶ P2O5 ∶ K2O ∶ MgO在1 ∶ （0.2～0.6）∶ （0.4～0.9）∶ （0.1～0.4）范圍內(nèi)，并就算出相應(yīng)肥料種類的施肥量，其中每株橡膠樹每年施尿素（N≈46%）在0.4～0.7 kg范圍內(nèi)，過磷酸鈣（P2O5≈12%）在0.5～1.1 kg范圍內(nèi)，氯化鉀（K2O≈60%）在0.15～0.3 kg，硫酸鎂（MgO≈16%）在0.1～0.5 kg范圍內(nèi)，總的肥料投入量每株橡膠樹每年1.3～2.3 kg。對(duì)GIS支持下民營橡膠測(cè)土配方施肥的推廣應(yīng)用進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞 橡膠樹；營養(yǎng)診斷；土壤肥力；精細(xì)化施肥

中圖分類號(hào) S147.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Large variations in soil fertility are found within private rubber plantations in Hainan Island. However， the utilization of soil testing formula fertilization in private rubber plantations is quite low. In order to increase the precise fertilization of private rubber and to save resource， the research targeting on private rubber plantation in Danzhou County， taking the widely planted RRIM600 rubber tree variety as the example， making use of the statistics and spatial analysis function of ArcGIS， combining the leaf nutrition diagnosis with leaf nutrient ratio， and referring to the plantation soil nutrient status， 32 fertilization formulas were established for the 146 villages which are suitable for planting rubber in Danzhou. The ratio of N ∶ P2O5 ∶ K2O ∶ MgO is about 1 ∶ （0.2～0.6） ∶ （0.4～0.9） ∶ （0.1～0.4）. The fertilizing amount of the corresponding fertilizer is urea（N≈46%）0.4～0.7 kg， superphosphate（P2O5≈12%）0.5～1.1 kg， potassium chloride（K2O≈60%）0.15～0.3 kg， magnesium sulfate（MgO≈16%）0.1～0.5 kg， and total fertilizer inputs of one rubber tree per year is about 1.3～2.3 kg. The study made a exploration of soil testing formula fertilization popularization in private rubber plantation under the support of GIS.

Key words Rubber tree；Nutrient diagnosis；Soil fertility；Precision fertilization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.028

目前，橡膠樹測(cè)土配方施肥技術(shù)主要應(yīng)用于國營農(nóng)場(chǎng)，而在民營膠園的應(yīng)用率非常低，絕大多數(shù)膠農(nóng)不知道如何科學(xué)施肥；與此同時(shí)，民營橡膠種植分散，普遍重割輕管，且管理水平參差不齊（有些施肥，有些不施，有些施肥多，有些施肥少）[1]，造成不同膠園之間土壤肥力差異很大。近年來中國民營橡膠增長迅速，截至2012年民營橡膠種植面積已達(dá)68.93萬hm2[2]，占全國膠園總面積的60.96%。但膠農(nóng)施肥缺少有針對(duì)性的指導(dǎo)，已經(jīng)嚴(yán)重限制了民營膠園產(chǎn)量的進(jìn)一步增長以及膠園的可持續(xù)發(fā)展。通過營養(yǎng)診斷確定膠樹營養(yǎng)水平是制定合理施肥配方的基礎(chǔ)，然而橡膠種植面積廣，膠園土壤養(yǎng)分差異明顯等因素為精細(xì)化的施肥推薦帶來了困難。GIS的地統(tǒng)計(jì)與空間分析功能可以通過有限數(shù)量的采樣點(diǎn)推算未采樣區(qū)域養(yǎng)分狀況，這就為測(cè)土配方施肥技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用和精細(xì)化施肥配方制定提供了技術(shù)支持。GIS在橡膠樹施肥配方制定中已得到廣泛的應(yīng)用。黎小清等[3]基于GIS在西雙版納東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建了橡膠樹施肥數(shù)據(jù)模型。孫君蓮等[4]應(yīng)用GIS在海南國營農(nóng)場(chǎng)建立起橡膠樹精準(zhǔn)施肥數(shù)據(jù)庫。陳贊章等[5]基于WEBGIS建立的橡膠樹精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)，把施肥單元由百平方千米減小到平方千米，提高了施肥的精準(zhǔn)度。唐群鋒等[6]在海南龍江農(nóng)場(chǎng)的田間試驗(yàn)，證明了配方施肥與常規(guī)施肥相比，能夠達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。

本研究以海南省儋州市民營膠園為例，針對(duì)民營橡膠園廣泛種植的RRIM600橡膠樹品種，應(yīng)用ArcGIS軟件，結(jié)合民營膠園葉片和土壤養(yǎng)分分析數(shù)據(jù)，給儋州市民營膠園制定出精細(xì)化的施肥配方，對(duì)GIS支持下測(cè)土配方施肥技術(shù)在民營膠園的推廣應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

儋州市地處東經(jīng)108°56′～109°46′，北緯19°11′～19°52′，屬熱帶季風(fēng)氣候，一年有干濕兩季，5～10月為雨季，11月至下一年4月為旱季[1]，年均降水量約1 500～2 000 mm，且70%在雨季，相對(duì)濕度80%以上，年平均日照在2 000 h以上，年均溫度23～25 ℃[7]；多山地和丘陵，但海拔普遍低于200 m，整體呈現(xiàn)東南高、西北低的走勢(shì)[8]；成土母質(zhì)主要為玄武巖、花崗巖、砂頁巖，土壤多屬于濕潤富鐵土或濕潤鐵鋁土[9-11]。

1.2 方法

1.2.1 樣品采集 橡膠樹葉片采集：2008～2012年間每年7～10月份，在儋州市那大、雅星、藍(lán)洋等鎮(zhèn)部分行政村開割民營橡膠園，以戶為單位作為采樣單元，每個(gè)行政村選取5～10戶，均勻分布，用GPS記錄經(jīng)緯度與海拔。主要采集廣泛種植的RRIM600橡膠樹品種，定植年度處于1988～1990年之間。采集開割橡膠樹樹冠下層主側(cè)枝上成熟的頂篷葉，取基部生長正常的復(fù)葉，去掉兩旁小葉，留下中間小葉；每蓬采3片小葉，每株橡膠樹采生長位置對(duì)稱的兩蓬；每個(gè)小區(qū)“S”型采集10株樹，即每個(gè)小區(qū)采集60片小葉混合作為一個(gè)樣本[12]，一共采集了葉片樣本441個(gè)。

土壤樣品采集：2008～2012年間每年7～10月份，在儋州市那大、雅星、藍(lán)洋等鎮(zhèn)部分行政村民營橡膠園采樣，以行政村劃分區(qū)域，按行政村面積大小確定采樣單元數(shù)量，一般每個(gè)行政村3～5個(gè)采樣單元，用GPS記錄經(jīng)緯度與海拔。采樣單元內(nèi)采用S形布點(diǎn)法，垂直取表層0～20 cm土壤，每個(gè)采樣單元采10個(gè)點(diǎn)，作為一個(gè)混合樣，共采集樣品491個(gè)。

1.2.2 樣品化驗(yàn)分析 葉片主要分析氮、磷、鉀、鈣、鎂等元素的干重含量，其中，氮含量采用H2SO4-H2O2消煮-納氏比色法測(cè)定；磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定；鉀含量采用干灰化-火焰光度計(jì)法測(cè)定；而鈣和鎂都采用干灰化-原子吸收分光光度法（AAS法）測(cè)定。

1.2.3 配方單元確定 施肥單元是指土壤養(yǎng)分狀況相近，耕作管理水平相同的地塊[13]。儋州民營膠園管理和施肥水平參差不齊，導(dǎo)致不同膠園之間土壤肥力差異明顯，這就要求制定的配方要更加有針對(duì)性，也就是要更加精細(xì)化。為此，本研究將行政村作為配方制定單元，這也與測(cè)土配方施肥中規(guī)定的管理單元是一致的，便于生產(chǎn)管理。

1.2.4 養(yǎng)分圖生成 運(yùn)用ArcGIS9.3的Geostatistical Analyst功能，對(duì)各養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行正態(tài)分布與趨勢(shì)檢測(cè)，之后采用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+7.0對(duì)養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)模型擬合，再利用ArcGIS9.3中的普通Kriging插值算法生成各養(yǎng)分的空間分布圖。

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一錄入，采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法[15]剔除數(shù)據(jù)異常值；采用SPSS Statistics 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布情況檢驗(yàn)；采用GS+7.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差函數(shù)擬合，確定半方差函數(shù)模型及其參數(shù)；采用ArcGIS 9.3進(jìn)行空間插值，并生成相關(guān)養(yǎng)分圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠樹葉片與土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)分析

儋州市民營橡膠葉片采樣統(tǒng)計(jì)信息如表1所示，可以看出氮、磷、鉀、鈣、鎂的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬于中等強(qiáng)度變異。氮和鎂的平均值都低于正常水平下限，磷的平均值正好處于正常水平下限，表明膠樹氮、磷和鎂元素含量較低；而鉀和鈣平均值均略高于正常水平上限，表明膠樹鉀和鈣元素的含量相對(duì)較高。

根據(jù)《熱帶北緣橡膠樹栽培》所規(guī)定葉片養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]，儋州市民營橡膠葉片采樣點(diǎn)養(yǎng)分含量分級(jí)情況如表2所示，可以看出，氮、磷和鎂缺乏與極缺乏比例之和分別占總比例的57.82%、57.6%、65.53%，而鉀和鈣處于正常水平以上（包含正常水平）的比例分別占總比例的77.78%和96.38%，這就進(jìn)一步證實(shí)了儋州市民營膠園膠樹氮、磷、鎂含量缺乏，鉀和鈣含量豐富的情況。

儋州市民營橡膠園土壤養(yǎng)分統(tǒng)計(jì)狀況如表3所示，與適宜橡膠樹生長的土壤養(yǎng)分含量標(biāo)準(zhǔn)[14]（全氮含量約為0.8～1.4 g/kg，有效磷含量約為5～8 mg/kg，速效鉀含量約為40～60 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量約為20～25 g/kg）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)儋州市橡膠園土壤全氮和有效磷含量均值均處于正常含量水平，而有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量均值均低于正常含量水平，土壤中交換性鈣、鎂的豐缺不能僅靠其絕對(duì)值來衡量，需要結(jié)合與其他交換性鹽基離子的比值關(guān)系來確定（如：鉀鈣比，鉀鎂比）。從變異系數(shù)看，這些土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)都在45%以上，表明儋州市民營膠園土壤養(yǎng)分變異較大。

2.2 地統(tǒng)計(jì)空間分析

2.2.1 數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn) 數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布是進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析的前提，可利用單樣本K-S檢驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。表4表明葉片樣品氮、鉀、鈣和鎂服從正態(tài)分布（K-S值>0.05），而磷則不服從（K-S值<0.05）[16]，但進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，磷服從正態(tài)分布。

表5顯示土壤全氮和有機(jī)質(zhì)服從正態(tài)分布（K-S值>0.05），而有效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂均不服從正態(tài)分布，但進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后都服從正態(tài)分布。

2.2.2 葉片與土壤半方差分析 表6為葉片氮、磷、鉀、鈣和鎂的半方差模型及其參數(shù)，可見氮、鉀和鈣為指數(shù)模型、而磷和鎂分別為球狀模型和高斯模型。氮、磷、鉀的變程均在3 600～4 000 m之間，而鈣和鎂的變程較大，分別為178 830 m和123 149 m。氮、磷、鉀、鎂的塊金值與基臺(tái)值比值均小于25%，而鈣塊金值與基臺(tái)值比大于25%，表明葉片中氮、磷、鉀、鎂元素具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，而鈣則具有中等空間自相關(guān)性。

表7為土壤養(yǎng)分的半方差模型以及參數(shù)，可以看出土壤全氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)和交換性鎂半方差模型均為指數(shù)模型，土壤速效鉀的半方差模型為球狀模型，土壤交換性鈣為高斯模型。全氮、有機(jī)質(zhì)變程較大，分別為73 770 m、15 150 m，交換性鎂變程居中，為9 330 m，有效磷、速效鉀和交換性鈣變程較小，在3 500 m到5 670 m之間。全氮、有機(jī)質(zhì)、交換性鈣的塊金值與基臺(tái)值比值處于25%～75%之間，有效磷、速效鉀和交換性鎂的塊金值與基臺(tái)值比值小于25%，表明土壤中有效磷、速效鉀、交換性鈣具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性，變異主要受氣候、母質(zhì)、地形等自然因素的影響，全氮、有機(jī)質(zhì)和交換性鎂空間自相關(guān)性中等，其變異受到自然因素與外在因素共同影響。

2.2.3 葉片與土壤養(yǎng)分空間分布 從圖1可以看出儋州市民營橡膠樹葉片養(yǎng)分含量在空間分布上具有一定的規(guī)律性。就葉片氮含量而言，其在南北方向上呈現(xiàn)中部高、兩側(cè)低的態(tài)勢(shì)，中部地區(qū)葉片氮含量多數(shù)在2.9%～3.2%之間，南北部地區(qū)則低于2.9%。葉片磷含量則呈現(xiàn)西部高于東部的分布規(guī)律，西部地區(qū)磷含量在0.23%～0.27%，然后逐級(jí)向東遞減，東南部最低區(qū)域磷含量低于0.18%。葉片鉀的含量整體約在1%～1.5%之間，在中部部分地區(qū)島狀分布著一些區(qū)域，葉片鉀含量在0.9%～1%范圍內(nèi)。葉片鈣在東南和西北兩側(cè)含量高，約1.3%，中部含量較低，約0.6%～1%，呈現(xiàn)峽谷狀分布。葉片鎂含量表現(xiàn)為中部地區(qū)較高，約0.35%～0.45%，向東西方向遞減，東南部地區(qū)葉片鎂含量最低，低于0.27%。

圖2為儋州市橡膠園土壤養(yǎng)分空間分布情況，可以看出，土壤全氮含量表現(xiàn)為西部和中部低，約0.4～0.8 g/kg，東南部與東北部較高，約1.4～1.8 g/kg。從整體上看土壤有效磷含量多在8～16 mg/kg范圍內(nèi)，但部分地區(qū)成島狀分布，存在一些有效磷含量大于16 mg/kg或低于5 mg/kg的區(qū)域。土壤速效鉀含量則呈現(xiàn)西北高，約在120 mg/kg左右，東南低，低于40 mg/kg的態(tài)勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量分布規(guī)律與全氮相似，中部和西部較低，在15 g/kg以下，東北部較高，約20～40 mg/kg。土壤中交換性鈣和交換性鎂的分布情況都較為散亂，但都表現(xiàn)出南北部高，中部低的變化規(guī)律，交換性鈣含量最高可達(dá)1 800 mg/kg以上，最低則低于400 mg/kg；交換性鎂最高地區(qū)在300 mg/kg以上，最低約40～60 mg/kg。

2.3 配方制定

首先利用葉片養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)合公式（1）對(duì)需肥量進(jìn)行初步計(jì)算，然后再根據(jù)《熱帶北緣橡膠樹栽培》中規(guī)定的正常生長橡膠樹葉片養(yǎng)分含量間比值范圍確定橡膠樹葉片養(yǎng)分之間的比例是否平衡，若養(yǎng)分比例不平衡，則需將初步計(jì)算的需肥量進(jìn)行調(diào)整，最后再參照橡膠樹立地土壤養(yǎng)分狀況，對(duì)需肥量進(jìn)行最后調(diào)整，這是因?yàn)橛袝r(shí)候按照葉片診斷結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)膠樹養(yǎng)分缺乏，但土壤中該養(yǎng)分含量卻比較豐富，這就有可能是由于土壤結(jié)構(gòu)不良限制了根系的發(fā)育，進(jìn)而引起的膠樹養(yǎng)分缺乏，這時(shí)候就不能增加施肥量，而是應(yīng)該改良土壤結(jié)構(gòu)，通過三方面協(xié)調(diào)結(jié)果，最終確定橡膠樹實(shí)際需肥量。

以上為儋州市適宜種植橡膠的146個(gè)行政村制定自己的施肥配方，并計(jì)算出相關(guān)肥料品種的施用量。施肥配方及每株橡膠樹每年施用尿素（N≈46%）、過磷酸鈣（P2O5≈12%）、氯化鉀（K2O≈60%）、硫酸鎂（MgO≈16%）推薦情況如表8所示。

對(duì)相同養(yǎng)分配比進(jìn)行合并之后，儋州適宜種植橡膠的146個(gè)行政村一共需要32個(gè)養(yǎng)分配比，配方1 ∶ 0.4 ∶ 0.5 ∶ 0.1適用于23個(gè)村，為最大養(yǎng)分配方。施肥配方在空間上的分布情況如圖3（注：圖中已將擁有相同施肥配方的村鎮(zhèn)合并為相同圖版，并用相同圖列表示）所示。

3 討論與結(jié)論

橡膠樹營養(yǎng)診斷是施肥配方制定的基礎(chǔ)，采樣化驗(yàn)分析是橡膠樹營養(yǎng)診斷的前提，受到時(shí)間、人力、物力多方面的限制，采樣是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、耗財(cái)?shù)墓ぷ?，通過GIS的空間分析功能可以在有限采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上推算未采樣區(qū)域養(yǎng)分指標(biāo)，GIS為測(cè)土配方施肥的大范圍推廣提供了技術(shù)支持。本研究在GIS的支持下以有限的采樣點(diǎn)獲取了整個(gè)儋州民營膠園的土壤和葉片養(yǎng)分空間分布狀況，并結(jié)合葉片營養(yǎng)診斷，參考葉片養(yǎng)分比例與立地土壤養(yǎng)分狀況，對(duì)橡膠樹需肥量給予更加合理的計(jì)算。此種配方計(jì)算方法具有方便快捷，可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)4種土壤上的橡膠樹專用肥，本研究所制定的施肥配方更加精細(xì)（以行政村為單元），更能體現(xiàn)出研究區(qū)域橡膠樹實(shí)際需肥量。據(jù)農(nóng)業(yè)部《06規(guī)程》大田橡膠樹施肥量參考量，結(jié)果顯示，開割橡膠樹每年每株需尿素0.68～0.91 kg，過磷酸鈣0.4～0.5 kg，氯化鉀0.2～0.3 kg，硫酸鎂0.15～0.2 kg；本研究中的施肥建議每株橡膠樹每年施尿素0.4～0.7 kg，過磷酸鈣0.5～1.1 kg，氯化鉀0.15～0.3 kg，硫酸鎂0.1～0.5 kg，每種肥料的施肥量變化范圍均比《06規(guī)程》規(guī)定的大，這就充分體現(xiàn)了儋州市民營橡膠園土壤與葉片養(yǎng)分變異大的事實(shí)，也再次證明了進(jìn)行更加精細(xì)化配方制定的必要性。

需要指出的是基于GIS所制定作物施肥配方的精準(zhǔn)程度受到采樣數(shù)量以及采樣點(diǎn)分布情況的影響，為進(jìn)一步提高施肥配方的精準(zhǔn)程度，在今后的工作中需要加大采樣數(shù)量，并注重提高采樣點(diǎn)空間分布合理性，提供高采樣的數(shù)量與質(zhì)量。

本研究針對(duì)民營橡膠園土壤肥力差異大的事實(shí)，利用ArcGIS軟件地統(tǒng)計(jì)功能對(duì)未采樣地區(qū)橡膠葉片養(yǎng)分推算，綜合橡膠樹葉片營養(yǎng)診斷結(jié)果以及膠園土壤養(yǎng)分信息，制定出更加精細(xì)化的施肥配方，并給出具體的肥料施用量，方法切實(shí)可行，易被農(nóng)戶接受，為測(cè)土配方施肥技術(shù)在民營膠園的推廣應(yīng)用作出了積極有益的探索。

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